張俊新，李明智，李曉麗，曹淑青，劉 遠(yuǎn)，劉 靖，潘 強(qiáng)，連 云

(1 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023;2 大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，大連 116023;3 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，大連 116023)

廣泛應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的供氧系統(tǒng)有增氧泵曝氣充氧和純氧氣水混合兩種方式。前者具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造及運(yùn)行操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但曝氣頭或穿孔管都設(shè)置在池內(nèi)，曝氣時(shí)空氣氣泡從池底上升到水面，對(duì)池內(nèi)水體產(chǎn)生擾動(dòng)和噪音，不利于養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)；池內(nèi)曝氣產(chǎn)生的氣泡擾動(dòng)水體，形成紊流狀態(tài)，把池內(nèi)殘餌糞便等懸浮物攪碎，形成細(xì)小顆粒，導(dǎo)致水質(zhì)快速惡化；曝氣停止時(shí)，處于池底的曝氣頭容易被懸浮物和泥沙等堵塞。高密度養(yǎng)殖時(shí)用純氧曝氣可以提高供氧效率，但液氧價(jià)格高昂，其制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏復(fù)雜，富余氧氣溢出和二氧化碳脫氣等問(wèn)題也需要考慮。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)的循環(huán)動(dòng)力是由多個(gè)水泵提供能量完成的。為滿足養(yǎng)殖生物所需的溫度條件，在冬夏兩季生產(chǎn)時(shí)必須對(duì)水體進(jìn)行升溫或制冷。整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)路線越長(zhǎng)，進(jìn)行的熱交換量就越多，需要消耗的能量(動(dòng)力和溫控)就越多。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在生產(chǎn)中取得了較好效果[1-10]。系統(tǒng)中曝氣充氧單元、殘餌糞便固液分離單元、生物過(guò)濾單元和提水增壓循環(huán)單元都是分開(kāi)設(shè)置、獨(dú)立管理并運(yùn)行的。曝氣充氧單元主要集中在純氧曝氣，以提高養(yǎng)殖密度。近期基于分子篩的空氣源純氧機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)并在實(shí)際中使用。產(chǎn)生的氧氣濃度可達(dá)90%以上。但是較低的曝氣量會(huì)導(dǎo)致水中由于高密度養(yǎng)殖生物代謝而產(chǎn)生的二氧化碳積累。這對(duì)于魚(yú)類等養(yǎng)殖生物傷害很大[11]。殘餌糞便固液分離主要依靠重力沉降和機(jī)械篩分原理進(jìn)行分離。劉鷹等[12-13]在養(yǎng)殖池底部采用一種雙管排污的設(shè)計(jì)構(gòu)造，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。關(guān)于氣升泵在水產(chǎn)領(lǐng)域的使用和創(chuàng)新研發(fā)，國(guó)內(nèi)外僅有為數(shù)不多的文獻(xiàn)[14-17]。其中包括最近Bukhari等[16]研究的用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的氣提泵內(nèi)復(fù)雜的兩相流優(yōu)化和Moses等[17]的關(guān)于飼料投喂后對(duì)氣提泵效率影響的試驗(yàn)研究。

循環(huán)水養(yǎng)殖凈化裝置[18]改變了傳統(tǒng)循環(huán)水養(yǎng)殖水體收集、集中凈化的思路，既可使養(yǎng)殖水體達(dá)到所需溶氧濃度，也無(wú)需額外設(shè)備及動(dòng)力使水體循環(huán)流動(dòng)，并可以收集殘餌糞便和凈化水質(zhì)。養(yǎng)殖池中因無(wú)直接池底曝氣，水流無(wú)擾動(dòng)，殘餌糞便及懸浮物很容易沉積到池底隨水流排出，便于清理的同時(shí)延長(zhǎng)了水質(zhì)惡化時(shí)間。

1 氣升泵工作原理

氣升泵具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于氣舉采油和提升泥漿等。其工作原理：當(dāng)氣體被通入升水管底部后，氣泡由于浮力作用會(huì)上升并充滿整個(gè)升水管，管內(nèi)是氣和水的混合物，管外是清水，管外內(nèi)底部相連通；按連通管原理，因?yàn)樗畾馊芤旱拿芏刃∮谒?一般上升的水氣溶液相對(duì)密度為0.25～0.35)，密度小的液體液面高，在高度為h的水柱壓力作用下，根據(jù)液體平衡的條件，水氣溶液便上升至H高度[19]。其等式如下：

ρ1gh=ρ2gH

(1)

式中：ρ1—水的密度，kg/m3；ρ2—升水管內(nèi)水氣溶液的密度，kg/m3；h—淹沒(méi)深度，井內(nèi)水位到曝氣頭的距離，m；H—水位提升高度與淹沒(méi)深度之和，m。

只要ρ1gh>ρ2gH(h/H為淹沒(méi)系數(shù))，水氣溶液就能沿升水管上升至管口而溢出，氣升泵泵就能正常工作。將上式移項(xiàng)得:

H-h=(ρ1/ρ2-1)h

(2)

由式(2)可知，要使水氣溶液上升至某高度，必須有一定的淹沒(méi)深度h，并需供應(yīng)一定量的壓縮空氣，以形成一定的ρ2值。水氣溶液的上升高度越大，其密度ρ2越小，需要消耗的氣量也越大，而淹沒(méi)深度也越大。因此，壓縮氣量和淹沒(méi)深度是與提升高度直接有關(guān)的兩個(gè)因素[19]。因?yàn)檠蜎](méi)水深對(duì)于實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)來(lái)說(shuō)改變幅度有限，因此曝氣充氧通入的空氣量就成為增加升水高度和出水量的關(guān)鍵因素。

本試驗(yàn)通過(guò)改變曝氣氣量、升水管管徑、曝氣頭參數(shù)等條件，測(cè)定循環(huán)水量，研究各個(gè)影響因素特點(diǎn)，確定裝置的最佳曝氣頭的形式和循環(huán)水量性能，以期為實(shí)際生產(chǎn)使用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 試驗(yàn)裝置

參照已有的研究基礎(chǔ)[1,18]，設(shè)計(jì)裝置系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 氣升泵原理圖

試驗(yàn)時(shí)，養(yǎng)殖用水及殘餌糞便通過(guò)吸水口進(jìn)入具有一定坡度的變徑吸水管，流速下降，殘餌糞便逐步沉降下來(lái)，積累到一定程度后關(guān)閉調(diào)節(jié)閥門，殘餌糞便在靜水壓力作用下由清掃口排出。由離心風(fēng)機(jī)提供系統(tǒng)曝氣用空氣?？諝馔ㄟ^(guò)精密針芯調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣量，并用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后經(jīng)由空氣管道輸送到曝氣頭與清水混合形成氣水混合物，再經(jīng)由升水管提升進(jìn)入生物濾包。濾包內(nèi)保持一定的氣壓，使出水具有足夠的能量推動(dòng)池水形成旋流，多余氣體經(jīng)由氣壓調(diào)節(jié)閥排出。經(jīng)過(guò)曝氣增氧的水經(jīng)過(guò)出水管沿池壁逆時(shí)針流回到養(yǎng)殖池中，完成循環(huán)。

設(shè)備型號(hào)參數(shù)：風(fēng)機(jī)型號(hào)HG-1100-C2(風(fēng)量0～135 m3/h，風(fēng)壓24 kPa，真空度-20 kPa)；精密針芯調(diào)節(jié)閥型號(hào)T40H-16C(溫度≤250℃，壓力1.6 Mpa，通徑50 mm)；空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZT(M-15)(測(cè)量范圍≤40 m3/h)；

圖2 循環(huán)水養(yǎng)殖凈化裝置示意圖

2.1.2 曝氣頭開(kāi)孔形式

自制聚氯乙烯(PVC)圓柱形穿孔管曝氣頭(圖3)有3種形式：圓柱形頂端開(kāi)孔、圓柱形側(cè)面開(kāi)孔、圓柱形頂端和側(cè)面都開(kāi)孔。曝氣頭出氣孔孔徑尺寸分別為1.0、2.0和3.2 mm。

圖3 曝氣頭形式圖

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 氣量、升水管管徑對(duì)循環(huán)水量的影響

在淹沒(méi)水深1.0 m、提升高度0.6 m的條件下，通過(guò)試驗(yàn)裝置將試驗(yàn)用水進(jìn)行循環(huán)。升水管管徑為75 mm和110 mm，隨機(jī)改變通入的氣量為5、10、20、25、30和35 m3/h，在回流管道出口測(cè)得不同氣量下的循環(huán)水量，分析變化規(guī)律。

2.2.2 曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)循環(huán)水量的影響

在淹沒(méi)水深0.6 m、提升高度0.4 m、升水管管徑75 mm、空氣量5 m3/h的條件下，通過(guò)改變出氣孔徑、曝氣頭直徑和開(kāi)孔位置等參數(shù)隨機(jī)進(jìn)行以下試驗(yàn)，測(cè)定循環(huán)水量。(1)選用曝氣頭孔徑1.0 mm、側(cè)面開(kāi)孔的曝氣頭，改變曝氣頭直徑分別為32、40和50 mm，測(cè)定循環(huán)水量。(2)在曝氣頭直徑為32、40和50 mm，側(cè)面開(kāi)孔基礎(chǔ)上，改變孔徑為1.0、2.0和3.2 mm。測(cè)定循環(huán)水量。(3)在曝氣頭直徑為32、40和50 mm，孔徑為1.0、2.0和3.2 mm基礎(chǔ)上，改變開(kāi)孔形式分別為側(cè)面開(kāi)孔、頂部開(kāi)孔、全部開(kāi)孔。

2.3 測(cè)定方法

曝氣量用精密針芯調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣量，并用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量。循環(huán)水流量用體積-秒表法多次測(cè)定取平均值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPSS軟件多因素分析中第III類模型分析，確定參數(shù)影響是否顯著和主要因素[20]。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣量、升水管管徑對(duì)循環(huán)水量的影響

氣量、升水管管徑對(duì)循環(huán)水量的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)列入表1。由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氣量為5 m3/h時(shí)，即可達(dá)到較高流量，而低于5 m3/h時(shí)循環(huán)運(yùn)行不穩(wěn)定，提升水量驟減?？赡芎捅狙h(huán)系統(tǒng)升水管出口連接有生物填料等阻礙流動(dòng)的裝置有關(guān)。跟張成鋼等[21]的研究結(jié)果有所不同。隨著氣量的增大，提升水量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn)，較小氣量即可滿足提升水的技術(shù)要求。這對(duì)于選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)是重要的參考條件，當(dāng)然，同時(shí)也要考慮溶氧的動(dòng)態(tài)需求。使用SPSS軟件中多因素方差分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2結(jié)果顯示，氣量、升水管管徑主體間效應(yīng)顯著值均小于0.05，結(jié)合III型平方和可知，升水管管徑(12.265)、氣量(8.398)、氣量與升水管管徑交互效應(yīng)(6.003)對(duì)水量影響效果均顯著。由數(shù)據(jù)可知，大管徑升水管提升水的能力相較小管徑的更佳。原因可能在是氣泡上升速度一定的情況下，過(guò)水橫斷面較大，可以獲得較大的水量。但隨著管徑增加，有可能出現(xiàn)內(nèi)環(huán)流而導(dǎo)致提升水量減小。較大升水管管徑導(dǎo)致提升水量減少的具體情況需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3.2 曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)循環(huán)水量的影響

通過(guò)改變曝氣頭幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)后，將其置入試驗(yàn)裝置中測(cè)定循環(huán)水量，得出數(shù)據(jù)列入表3，數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS軟件分析后得到表4結(jié)果。

表1 氣量、升水管管徑對(duì)循環(huán)水量的影響

表2 氣量、升水管管徑主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)結(jié)果

表3 曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)循環(huán)水量的影響

注：“頂”表示頂部開(kāi)孔；“側(cè)”表示側(cè)面開(kāi)孔；“全”表示頂部和側(cè)面都開(kāi)孔

表4 曝氣頭結(jié)構(gòu)參數(shù)主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)結(jié)果

由表4結(jié)果可知，孔徑(P=0.000 006)、直徑(P=0.003)、形式(P=0.009)、直徑與孔徑(P=0.01)、孔徑與形式(P=0.03)、直徑與形式(P=0.034)對(duì)水量變化影響顯著，并且影響程度依次降低。由III型平方和可知，主要影響因子為孔徑(13.057)，曝氣頭孔徑對(duì)循環(huán)水量的影響很大?？讖皆酱?1～3.2 mm)，循環(huán)水量越大。這可能是由于大孔徑產(chǎn)生的氣泡較大，在水中有較大浮力，因而上升較快。在同樣的氣水混合物的密度條件下，上升快的氣泡對(duì)水流的攜帶作用更強(qiáng)。在工程實(shí)際使用中，同樣達(dá)到最佳溶氧條件下，盡量增大曝氣頭孔徑(1～3.2 mm)，有利于增大循環(huán)水量。

由表3分析知，在相同工況下，直徑32 mm的曝氣頭提升水量最大，并且隨著曝氣頭直徑增大，提升水量明顯減小。原因可能是升水管管徑是固定不變的(管徑75 mm和110 mm)，當(dāng)增大曝氣頭直徑時(shí)，會(huì)減小曝氣頭與升水管之間過(guò)水通道的橫斷面積，增大局部阻力，使得提升水量減少。但曝氣頭直徑過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致曝氣量在過(guò)水?dāng)嗝嫔戏植疾痪鶆蚨绊懶Ч?/p>

對(duì)于曝氣頭開(kāi)孔形式對(duì)循環(huán)水量的影響，由表3數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可知，相同條件下，側(cè)面開(kāi)孔的曝氣頭結(jié)構(gòu)所提升的循環(huán)水量比頂部開(kāi)孔形式更好些(DN32時(shí)水量提高18%～45%；DN40時(shí)水量提高20%～27%；DN50時(shí)水量持平或減少)。這可能是由于側(cè)面開(kāi)孔形式的曝氣頭孔眼與曝氣頭管壁成60°角鉆孔，產(chǎn)生的微氣泡沿管壁螺旋上升，增加氣泡行走路程和停留時(shí)間，減小水與升水管管壁的接觸面積。因?yàn)榭諝馀c管壁摩擦阻力遠(yuǎn)小于水與管壁的摩擦阻力，因此具有減小沿程水頭損失的優(yōu)勢(shì)。

但是，側(cè)面與頂部同時(shí)開(kāi)孔的曝氣頭在曝氣時(shí)效果不理想。這個(gè)結(jié)果與Ahmed等[22]研究的結(jié)論不同，提高軸向注入空氣量有利于提高壓縮空氣的利用率。在Ahmed的試驗(yàn)中，氣升泵注氣方式雖然是軸向的，但是注入形式為脈沖注氣，不是連續(xù)風(fēng)機(jī)曝氣。充氣頭在升水管外面，非內(nèi)部阻擋形式，雖然獲得了較高的機(jī)械效率，但對(duì)脈沖閥要求很高。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，通過(guò)改變氣量、升水管管徑、曝氣頭結(jié)構(gòu)等參數(shù)，得出升水管管徑和曝氣頭孔徑對(duì)提升水量影響非常顯著。在淹沒(méi)水深1.0 m、提升高度0.6 m、升水管管徑為110 mm、空氣量5 m3/h的條件下，選用曝氣頭直徑32 mm、曝氣頭孔徑3.2 mm和側(cè)面開(kāi)孔形式時(shí)，該裝置最大循環(huán)水量可以達(dá)到9.5 m3/h；較粗的升水管和較細(xì)的曝氣頭組合，效果較好；曝氣頭側(cè)面開(kāi)孔，孔徑較大，對(duì)設(shè)備有較大的性能提升。

□

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